离心球墨铸铁管全自动在线全程壁厚检测系统的开发

郝文源，陶群南，岳江峰，吕少峰，傅 骏

（1.芜湖新兴铸管有限责任公司 芜湖新兴铸管，安徽 芜湖 241002；2.四川工程职业技术学院 材料工程系,四川 德阳 618000 ）

0 引言

本公司鉴于离心球墨铸铁管壁厚检测的重要性，组成了攻关小组，经过十多年的攻关研究与创新实践，自主研发出超大功率电磁超声在线无耦合非接触检测球墨铸铁管壁厚技术。壁厚检测速度快，精度高，无须耦合剂，性能提升空间大，居于行业和世界领先水平。

1 项目的意义

开发高质量的壁厚质量检测系统，是用水安全的必要保证。铸铁管壁质量直接影响到广大民众的用水质量和用水安全，管壁质量问题不但影响水输送管道使用寿命，更可能引起水质污染、水资源浪费等重大问题。

离心球墨铸铁管具有铁的本质、钢的性能，它具有较高的抗内压、外压能力，较好的耐腐蚀性和耐磨性，适应现代城镇供水、输气建设工程的需求。遇地基变化或地震现象，发生漏裂的比率最低，其震害率最小，具备管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀、施工方便等优点，我国球墨离心铸管行业发展迅速。因此，球墨铸铁管壁厚的测量在铸铁管的生产工艺中有非常重要的作用，其不但关系到直接的质量控制，同时对生产中铸造参数的调整也具有十分重要的意义，是球墨铸铁管精细铸造实现的前提之一[1]。

目前球墨铸铁管壁厚的测量主要方式是通过人工手持压电超声波设备，配合耦合剂对管身有限个点位进行测量，仅能抽检少量铸管，这种测量壁厚的方法速度慢、劳动量大，无法准确反映生产线上全部产品的铸造状况,已经严重落后于现代铸铁管的生产规模和生产效率。对于动辄几十甚至几百公里的供水管线来说，未知的铸造状况存在巨大的质量隐患。因此全自动在线全程壁厚检测就变得十分重要。

2 关键技术

目前在无损检测技术中，电磁超声检测技术逐渐成熟并应用广泛，此项技术不使用耦合剂、检测速度快、无污染、无辐射、可以适应高温环境，铸铁管、水泥层、漆层、锌层均不影响检测，此项技术的成熟使全自动在线全程壁厚检测的实现成为可能[2]。

2.1 适用于球墨铸铁管的电磁超声参数研究

该检测技术不需要耦合剂，适应于结晶粗大的球墨铸铁管材质，探测无需对被测管表面进行打磨或其他处理，可以克服管身表面工艺凸点的影响。

攻关小组通过热力学计算分析了球墨铸铁管中夹杂物的种类及各个夹杂物形成的难易程度，研究了夹杂物在球墨铸铁中的热力学、动力学行为。热力学计算结果表明：当球墨铸铁中钛含量为0.005%、0.015%和0.025%,冷却速度为3℃/S时,夹杂物的平均尺寸分别为2.14 μm、2.76 μm和3.04 μm,当冷却速度为1、3、6℃/S,Ti含量为0.015%时,夹杂物的平均尺寸分别为4 μm、2.77 μm、1.5 μm。

针对以上研究成果，对被检查金属材质有了更具体的掌握，对与电磁超声在被测材料内部产生和传播的过程有了充分依据。除内部结构外，被测件体积大、尺寸长，外表面布满工艺凸点和龟裂纹，高度约0.5 mm，对电磁超声信号形成干扰，通过脉冲跟随有效控制探测距离，实现干扰消除[3]。

2.2 发明了针对墨铸铁材质的电磁超声探头

探头具备多频率转换功能，信号处理器采用DPS高速信号处理系统，可有高效处理接收信号，过滤干扰信号。攻关小组通过定制接收装置接收高速信号并进行放大显示（电磁超声）。此时，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。

电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成，高频线圈通以高频激励电流时就会在试件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声；同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也会产生不同波形的电磁超声。电磁超声接收信号经过放大，进入处理器，通提过信号过滤，去除有害信号后，有效信号进入主机通过预设算法进行整合计算后由硬件端口输出。

2.3 发明了针对墨铸铁材质的电磁超声激发和接收仪器

针对墨铸铁管电磁超声测量需要实现高频高功率仪器装置，研发中通过直流电压全桥逆变技术，高频变压器升压技术，电磁超声发射电路脉冲电压可达3 000 V，瞬态电流可以达到10 A，最大可以在5 M频率下达到30 kW发射功率。电磁超声接收的信号非常微弱。研发中采用输入限幅+高阻抗、高夸导的JFET前置放大器+模拟滤波器+可控增益放大器+模拟/数字采样转换等技术，实现了放大器的输入阻抗高，噪声小，灵敏度高的特征。研发中采用赛灵思的Spartan6工业级FPGA实现信号采集，滤波，自相关运算，数据缓存等工作，通过过采样、FIR滤波、自相运算3个技术增加了信噪比25 dB以上。

2.4 基于多轴联动控制的结构变形补偿机构

开发的测量机构是能够自动适应与长管形变、弯曲、位置偏差的定位装置，可保证探头在长距离检测过程中对长管在空间内产生的位置偏差进行自动补偿，保证探头和被测管件的相对位置满足检测需要。

2.5 全自动控制系统

本系统从根本上保证了适用于全自动生产线实现无人化全天候全管全长在线壁厚检测。发明了能够高速采集处理壁厚检测数据的数据处理系统，系统配备数据库系统，开发了人机交互终端软件，可对检测异常情况直接通过界面向人工进行信息展示，并指导离心机浇注系统进行参数调整。系统控制系统采用西门子S7-300系列PLC系统，配置有CPU、数字量、模拟量、网络通信、DP通信等模块，上位机采用研华高性能工控机，集成了高速多种运动控制器、SQL数据库、VC++集成开发环境等。上位机工控机作为控制中心与PLC系统、电磁超声系统、运动控制系统进行通讯，并组织各模块之间的工作，完成壁厚检测，并完成数据的处理和呈现[4]。

控制系统操作台设置有手动和自动转换按钮，当设备需要维护或检修时将按钮打到手动，即可实现各轴手动运行，此时各轴可单独控制运行。当需要自动检测时，打到自动检测。即可实现自动检测。

2.6 系统总成

图1是本系统总成结构图。

系统被测件由运管输送装置运送到检测工位，立即进行管径识别，判断管型后系统自动完成相应参数配置，并对电磁超声和PLC系统通信情况进行检测，无误后自动发出检测开始信号。PLC系统接到检测信号后控制各机械轴运动，电磁超声探头接触被测铸管后电磁超声检测系统开始工作，经过信号处理、数据运算后得出壁厚数据并上传给工控机，工控机整个位置和壁厚信息形成数据并绘制壁厚曲线，完成全管检测后，工控机将所有数据保存到数据库，并将检测数据和标准数据进行对比，对异常数据进行报警处理。然后进入下一个检测循环。

检测长度5.6 m，有效检测点位120个左右，检测时间30s，可实现产线全管全长检测。检测数据通过网络直接传递给离心机浇注系统，针对壁厚异常，进行浇注参数调整。

3 结语

球墨铸管在线厚度检测仪，采用全新的电磁超声检测技术，无须耦合剂，非接触快速测量，可对大多数金属或磁性材料进行检测。与常规超声测厚仪器相比，EMAT技术对检测表面不敏感，适合粗糙的表面，允许通过覆层（油漆层或铁锈层）或空气层测量，免去除表面油污或铁锈。对球墨铸铁材料进行在线测厚，具有独特的优势。厚度测量结果不受角度影响，不受铸管表面凸起，龟裂等因素影响，测量精度高（精确到0.01 mm）测量速度快。

通过芜湖新兴铸管近几年对在线壁厚检测技术的攻关研究与创新实践，目前形成了每年对20万吨球墨铸铁管壁厚进行全长壁厚检测的能力,取得了显著经济效益和社会效益，推动了产业的技术升级和行业的发展,下一步计划推广到每年60万吨球墨铸铁管壁厚全检。该壁厚检测技术检测速度快，检测准确，无损，无须耦合剂，性能指标达到国际先进水平，并已大量应用对离心机浇注的参数调整，促进壁厚均匀性提高和铁耗的减少，取得了显著的经济和社会效益。

目前电磁超声测厚还不适应于高温情况下检测，检测位置离铸造机较远，壁厚数据反馈存在一定滞后性。今后研究方向是针对铸造机高温铸管壁厚检测进行技术创新，电磁超声具备高温检测条件，但在部件耐受性需进一步设计和开发。